上海地鐵延伸工程盾構(gòu)刀盤設(shè)計與施工_工程管理

1、上海地鐵延伸工程盾構(gòu)刀盤設(shè)計與施工介紹了中鐵隧道集團有限公司為上海地鐵2號線西延工程研制的盾構(gòu)刀盤以及盾構(gòu)施工的關(guān)鍵技術(shù)。1 工程概況上海地鐵 2 號線西延長工程 2 標段威寧路站-古北路站區(qū)間隧道上行線為1 353.9m，下行線為1 296.75m。線路最大坡度 22，最小坡度為5.2，隧道頂部覆土厚 6.714.3m，屬中淺埋隧道。隧道穿越的地層主要為灰色淤泥質(zhì)粘土層和灰色粘性土層，工程區(qū)域內(nèi)受影響的地下水為潛水，滲透性均較弱。區(qū)間隧道采納 1 臺土壓平衡盾構(gòu)施工。施工中采納了南京地鐵 TA15 標使用過的土壓平衡盾構(gòu)，但刀盤及液壓掌握系統(tǒng)采納中鐵隧道集團公司的“863”盾構(gòu)研發(fā)成果。2

2、盾構(gòu)刀盤研制2.1 刀盤研制的背景依據(jù)國家“863”方案2022AA420220 號合同要求，中鐵隧道集團擔(dān)當(dāng)?shù)恼n題之一是依據(jù)軟土硬巖等不同的地質(zhì)條件，研制具有較為寬泛的地質(zhì)適應(yīng)力量的刀盤。為使刀盤具有較為寬泛的地質(zhì)適應(yīng)力量，選擇廣州地鐵 2 號線越三區(qū)間及上海地鐵 2 號線西延長工程威古區(qū)間作為參考工程對象。廣州地鐵 2 號線越三區(qū)間的工程水文地質(zhì)特征是全線有 2/3 以上為硬巖并且大部分位于隧道底部，而50%左右的不穩(wěn)定地層大都位于隧道拱部;隧道洞身地段一般地下水貧乏，但在巖石裂隙發(fā)育、全風(fēng)化礫巖、基巖強風(fēng)化帶、中風(fēng)化帶以及斷裂破裂帶中含有肯定量的地下水。上海地鐵 2 號線西延長工程威古區(qū)

3、間主要為灰色淤泥質(zhì)粘土和灰色粘性土，土性較勻稱;土質(zhì)呈飽和軟流塑狀，具有高壓縮性、低透水性的特點。土層中的粘粒含量大，簡單在刀盤上形成泥餅。由于要求刀盤具有寬泛的地質(zhì)適應(yīng)性，既能適應(yīng)類似于廣州地鐵 2 號線越三區(qū)間那樣的硬巖與軟巖交互地層，又能適應(yīng)類似于上海地鐵 2 號線西延長工程威古區(qū)間那樣的淤泥質(zhì)粘土及粘性土，所以在進行刀盤的強度、剛度設(shè)計時，以廣州地鐵 2 號線的地質(zhì)參數(shù)為依據(jù)，在設(shè)計碴土改良與排碴裝置時，重點考慮上海地鐵 2 號線的地質(zhì)條件。2.2 刀盤設(shè)計刀盤結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個刀盤為焊接結(jié)構(gòu)，在刀盤上焊接了安裝各種刀具的刀座。刀盤和主驅(qū)動通過法蘭盤連接，刀盤背面和法蘭盤通過4根厚壁

4、鋼管焊接在一起，以傳遞足夠的扭矩和推力。 <CENTER</CENTER刀盤本體直徑 6 230mm，為適應(yīng)廣州及上海的雙重地質(zhì)，在廣州施工時，開挖直徑6 280mm;在上海施工時，開挖直徑為 6 420mm。刀盤面板厚度 5 5 m m ，從法蘭盤底面到刀盤面板高1 410mm，刀盤總重約 55t。為保證刀盤的整體結(jié)構(gòu)強度和剛度，刀盤的結(jié)構(gòu)采納焊接箱形結(jié)構(gòu)。依據(jù)對刀盤設(shè)計模型在硬巖模式下對每個滾刀加載 25t 荷載的有限元分析，刀盤的強度和剛度均滿意要求。刀盤的開口形式為對稱分布的 8 個長條孔，結(jié)構(gòu)形式利于碴土流淌，開口盡量靠近刀盤的中心，以利于中心部位碴土的流淌。刀盤開口率依

5、據(jù)安裝的刀具類型不同而有所變化，當(dāng)全部安裝硬巖刀具時開口率為 28%，當(dāng)安裝齒刀時刀盤開口率為 30%。刀盤面板上共有 8 個泡沫注入口，其中在刀盤的中心設(shè)置有 4 個泡沫注入口。在刀盤的背面有 3 個泡沫注入口。泡沫注入口也可以用來加注膨潤土和泥漿。刀盤周邊設(shè)計了 3 條耐磨條，刀盤面板焊接格柵狀耐磨材料，充分保證刀盤在硬巖掘進時的耐磨性能。刀盤上的滾刀刀座和齒刀刀座相同，安裝方式也相同，可以滿意滾刀和齒刀的互換性要求，以適應(yīng)不同地層的開挖。在上海地鐵 2 號線西延長工程威古區(qū)間施工時，安裝切刀64把、雙刃齒刀6把、單刃齒刀8把、雙刃滾刀5把、周邊刮刀16把和仿形刀1把。在廣州地鐵等硬巖區(qū)施

6、工時，在刀盤上安裝切刀 64 把、雙刃滾刀 19 把、周邊刮刀 16 把和仿形刀 1 把。2.3 刀盤有限元分析刀盤是盾構(gòu)的掘削系統(tǒng)，具有開挖地層、穩(wěn)定開挖面、攪拌碴土等功能，承受大扭矩、大推力和沖擊載荷的作用，工作狀況特別惡劣。為此，在采納類比法完成結(jié)構(gòu)設(shè)計后，必需對刀盤結(jié)構(gòu)的強度、剛度進行 校核，并在此基礎(chǔ)上進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通過有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化的互動，可有效提高刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計的整體水平與可信度。采納 ANSYSDesignSpace 有限元分析軟件對刀盤進行結(jié)構(gòu)分析。1)簡化處理模型刪除不影響結(jié)構(gòu)強度的螺栓孔等特征;刪除全部刀具;刪除結(jié)構(gòu)中的一些斜肋板;圓整三維結(jié)構(gòu)中的尖點。2)調(diào)入模型運

7、行 ANSYSDesignSpace并調(diào)入處理后的模型。3)定義模型材料選擇模型材料為結(jié)構(gòu)鋼。4)劃分網(wǎng)格選擇網(wǎng)格劃分精度100，自動劃分網(wǎng)格后的模型如圖 2 所示。 <CENTER</CENTER5)施加載荷與約束取刀盤驅(qū)動扭矩為脫困時的工況，從平安的角度考慮，假定載荷全部加于面板上：取軸向載荷 Fa = 10 000kN;取扭矩 Nw = 5 300kNm;取重力 G = 540kN;固定中心支撐連接面。6)運行程序由于刀盤在實際工作中轉(zhuǎn)速很低，故選取靜力分析模式運行程序。7)對后處理結(jié)果的分析最大等效應(yīng)力為164.4MPa，位于主軸承法蘭與支撐鋼管連接焊縫處。刀盤所用材料的屈

8、服限為 345MPa，屈服平安系數(shù) ns = 2.1，滿意強度條件;最大變形為3.87mm，位于超挖刀所在大圓環(huán)處，其相對變形量僅為0.2，滿意一般工程上所允許的剛度條件。2.4 刀盤制造刀盤的主要制造工藝包括機械加工、焊接、熱處理、裝配等。1)關(guān)鍵零部件的加工刀盤大圓環(huán)、法蘭連接盤、刀盤支撐鋼管、刀座箱體、刀盤中心支撐、刀盤面板等關(guān)鍵零部件采納數(shù)控火焰切割機下料、焊口刨邊、采納CO2 氣體愛護焊、反復(fù)檢查校正、對重要焊縫進行超聲波探傷。2)刀盤組焊刀盤組焊工藝流程:面板固定測量平面度肋板定位刀座開口定位切割大圓周環(huán)與本體組焊測量同心度中心支撐定位測量同心度翻身焊接刀盤正面焊接外圈錐板翻身焊接

9、背板焊接泡沫管試壓焊接斜支撐板磁粉探傷退火。3)刀盤熱處理對刀盤進行焊后熱處理以消退焊接內(nèi)應(yīng)力、改善組織、提高性能、保證使用過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。采納的刀盤焊后熱處理工藝參數(shù)：加熱溫度580620;加熱速度50/h;保溫時間 3.5h;冷卻速度 50/h。3 盾構(gòu)法施工3.1 端頭土體加固區(qū)間隧道端頭穿越的地層為淤泥質(zhì)粘土和粘性土，需進行端頭土體加固，施工中采納了深層攪拌法。加固范圍為出洞端頭縱向6.0m，進洞端頭縱向 3.5m，橫向為隧道輪廓范圍外 3m。采納雙軸攪拌樁機施工，樁徑 700mm，間距 500mm× 500mm，梅花型布置;對于攪拌樁加固區(qū)和車站圍護結(jié)構(gòu)之間的加固盲區(qū)，

10、采納分層劈裂注漿加固。3.2 工程重難點及對策1)深埋管線段施工芙蓉江路口有一路南北向的合流污水管，管徑 3 600mm，施工中管線沉降掌握較好，沉降變化在 -23+1.86mm 之間，最大沉降量僅為 -23mm，對管線平安沒有影響。在施工中主要實行了以下措施：在盾構(gòu)進入管線影響范圍之前，對盾構(gòu)及配套設(shè)施進行全面的檢查和保養(yǎng)，確保通過管線時不消失故障停機;準時對環(huán)形空隙進行充填，并做好二次補壓漿工作;加強地面沉降監(jiān)測，尤其是對管線分布點監(jiān)測并準時分析評估施工對管線的影響，依據(jù)施工和變位狀況調(diào)整觀測的頻率，準時反饋監(jiān)測信息并指導(dǎo)盾構(gòu)施工。2)沼氣儲氣層施工在沼氣儲氣層，盾構(gòu)推動全過程采納光干涉型

11、甲烷探測儀(AQG-I 型)對洞內(nèi)氣體進行全過程檢測，并作好記錄;加強施工通風(fēng);施工過程中嚴禁明火;在管片拼裝前認真檢查止水條，確保管片止水條外表面的清潔;加強管片拼裝質(zhì)量掌握，確保隧道防水效果的同時，防止土層內(nèi)的氣體通過管片接縫滲入隧道內(nèi)，以確保隧道建成后的運營平安。3.3 地表監(jiān)測及沉降掌握上海地鐵 2 號線西延長 2 標施工開展了地表沉降和地下管線平安監(jiān)測、地面建筑物監(jiān)測、隧道管片變形監(jiān)測、掘進過程有害氣體監(jiān)測等現(xiàn)場監(jiān)測項目。1)地表沉降和地下管線平安監(jiān)測地表沉降 點沿隧道軸線按5m間距埋設(shè)，地表橫向沉陷測點按 50m 間距埋設(shè)。沿區(qū)間隧道施工影響范圍內(nèi)(距隧道邊線約15m)的主要地下管

12、線上方地表縱向每隔 30m 布置一個測點。2)地面建筑物監(jiān)測在區(qū)間隧道兩側(cè)距隧道邊線約 15m，特殊是對隧道兩側(cè) 10m 范圍內(nèi)地面建筑物進行監(jiān)測，測點主要布置在建筑物基礎(chǔ)或承重柱上。3)隧道管片變形監(jiān)測隧道管片變形監(jiān)測含拱頂下沉測點與水平收斂測點等。在盾構(gòu)進出洞 50m 范圍內(nèi)、曲線段及聯(lián)絡(luò)通道處每 6m 布置1 個測試斷面，其他地段按 50m 間距布設(shè)測量斷面。4)掘進過程有害氣體監(jiān)測用 AQG-1 型甲烷探測儀在螺旋輸送機出碴口固定監(jiān)測。3.4 監(jiān)測結(jié)果及分析1)地表沉降上行線地表沉降在+17.08- 63.59mm 間，多數(shù)沉降穩(wěn)定在 -30mm 左右。地表沉降最大地段分布在威寧路站端頭井及芙蓉江路四周。威寧路站端頭井四周沉降較大的緣由是盾構(gòu)到達時調(diào)整盾構(gòu)姿勢導(dǎo)致地表沉降過大;其二是由于四周給水管線的施工導(dǎo)致沉降過大;其三是地質(zhì)勘探孔的冒漿導(dǎo)致地層損失。芙蓉江路地段地表沉降較大是由于該地段的地質(zhì)狀況較差，多為流塑狀粘土，流變性強